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aarch64/doc: add framebuffer driver
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1aa8436d71
commit
b4e0b38286
@ -239,105 +239,6 @@ pub fn write_byte(&mut self, byte: u8) {
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self.registers.AUX_MU_IO_REG.write(byte);
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}
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```
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## Mailbox
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> 参考：https://github.com/raspberrypi/firmware/wiki/Mailboxes
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Mailbox 是树莓派上 ARM CPU 与 VideoCore IV GPU 之间通信的渠道。Mailbox 能够识别一段按特定格式存储的请求指令，包含请求代码、请求长度、请求参数等信息，GPU 会根据请求的指令完成相应的操作，并将结果写在原处。
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BCM283x 系列有两个 mailbox，一般 MB0 总是用于 GPU 向 CPU 发送消息 MB1 总是用于 CPU 向 GPU 发送消息，对 CPU 来说即一个只读一个只写。
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Mailbox 有若干通道(channels)，不同通道提供不同种类的功能。一般使用 property tags 通道(编号为 8)，即 mailbox property interface。
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### 基本读写
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> 参考：https://github.com/raspberrypi/firmware/wiki/Accessing-mailboxes
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对 mailbox 的基本读写实现在 crate [bcm2837](../../../crate/bcm2837/) 的 [mailbox.rs](../../../crate/bcm2837/src/mailbox.rs) 中。一般一次操作是向 mailbox 写入请求的地址，然后读 mailbox 来轮询等待操作完成。注意读写 mailbox 时只有数据的高 28 位有效，低 4 位被用于存放通道，所以如果写入的是一个地址则该地址必须 16 字节对齐。
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读的流程如下：
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1. 读状态寄存器 MAIL0_STA，直到 empty 位没有被设置；
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2. 从 MAIL0_RD 寄存器读取数据；
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3. 如果数据的最低 4 位不与要读的通道匹配，则回到 1；
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4. 否则返回数据的高 28 位。
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```rust
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pub fn read(&self, channel: MailboxChannel) -> u32 {
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loop {
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while self.registers.MAIL0_STA.read() & (MailboxStatus::MailboxEmpty as u32) != 0 {}
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let data = self.registers.MAIL0_RD.read();
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if data & 0xF == channel as u32 {
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return data & !0xF;
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}
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}
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}
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```
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写的流程如下：
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1. 读状态寄存器 MAIL1_STA，直到 full 位没有被设置；
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3. 将数据(高 28 位)与通道(低 4 位)拼接，写入 MAIL1_WRT 寄存器。
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```rust
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pub fn write(&mut self, channel: MailboxChannel, data: u32) {
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||||
while self.registers.MAIL1_STA.read() & (MailboxStatus::MailboxFull as u32) != 0 {}
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||||
self.registers.MAIL1_WRT.write((data & !0xF) | (channel as u32));
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}
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```
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### Mailbox property interface
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> 参考：https://github.com/raspberrypi/firmware/wiki/Mailbox-property-interface
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Mailbox property interface 提供了丰富的访问底层硬件的接口，包括电源、温度、DMA、GPU、内存、Framebuffer 等模块。RustOS 中封装了一系列 mailbox property interface 函数，实现在 [kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/mailbox.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/mailbox.rs) 中。
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向 mailbox property interface 发送的请求需要符合一定的格式。在 RustOS 中，对 mailbox property interface 的一个功能调用被称为一个 `PropertyMailboxTag`，格式如下：
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```rust
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#[repr(C, packed)]
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struct PropertyMailboxTag<T: Sized> {
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id: PropertyMailboxTagId,
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buf_size: u32,
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req_resp_size: u32,
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buf: T,
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}
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```
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这里的 `buf` 一般是一个 32 位无符号整数的数组。一个或多个 `PropertyMailboxTag` 可构成一个 `PropertyMailboxRequest`，这是最终需要向 mailbox 发送的请求，格式如下：
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```rust
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#[repr(C, packed)]
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struct PropertyMailboxRequest<T: Sized> {
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buf_size: u32,
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req_resp_code: PropertyMailboxStatus,
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buf: T,
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end_tag: PropertyMailboxTagId,
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}
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```
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这里的 `buf` 可以是多个大小不一的 `PropertyMailboxTag` 构成的数组，不过内存布局必须连续而没有空隙。
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为了方便构造这两个结构体，定义了宏 `send_one_tag!()` 与 `send_request!()`：
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* `send_request!($tags: ident)`：发送一个或多个 `PropertyMailboxTag`。这会构建一个 16 字节对齐的 `PropertyMailboxRequest` 结构体，将其地址写入 mailbox。等待 GPU 操作完毕后，返回被修改过的 `PropertyMailboxTag` 列表。
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* `send_one_tag!($id: expr, [$($arg: expr),*])`：这会根据 `id` 与 32 位无符号整数的数组构造一个 `PropertyMailboxTag` 结构体，然后通过宏 `send_request!()` 发送给 mailbox，返回被修改过的数组。
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有了这两个宏，就可以非常方便地实现所需的 mailbox property interface 功能了。例如获取 framebuffer 物理大小：
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```rust
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pub fn framebuffer_get_physical_size() -> PropertyMailboxResult<(u32, u32)> {
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let ret = send_one_tag!(RPI_FIRMWARE_FRAMEBUFFER_GET_PHYSICAL_WIDTH_HEIGHT, [0, 0])?;
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Ok((ret[0], ret[1]))
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}
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```
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`framebuffer_alloc()` 函数是一次性发送多个大小不一的 `PropertyMailboxTag` 的例子。
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需要注意的是，当启用 MMU 与 cache 后，在访问 mailbox 的前后都需要刷新整个 `PropertyMailboxRequest` 结构的数据缓存，因为这里涉及到 GPU 与 CPU 的数据共享，必须时刻保证主存与 cache 中数据的一致性。
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## Timer
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BCM283x 系列可用下列三种不同的时钟：
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@ -459,6 +360,164 @@ fn is_pending(&self) -> bool {
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}
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```
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## Mailbox
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> 参考：https://github.com/raspberrypi/firmware/wiki/Mailboxes
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Mailbox 是树莓派上 ARM CPU 与 VideoCore IV GPU 之间通信的渠道。Mailbox 能够识别一段按特定格式存储的请求指令，包含请求代码、请求长度、请求参数等信息，GPU 会根据请求的指令完成相应的操作，并将结果写在原处。
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BCM283x 系列有两个 mailbox，一般 MB0 总是用于 GPU 向 CPU 发送消息 MB1 总是用于 CPU 向 GPU 发送消息，对 CPU 来说即一个只读一个只写。
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Mailbox 有若干通道(channels)，不同通道提供不同种类的功能。一般使用 property tags 通道(编号为 8)，即 mailbox property interface。
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### 基本读写
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> 参考：https://github.com/raspberrypi/firmware/wiki/Accessing-mailboxes
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对 mailbox 的基本读写实现在 crate [bcm2837](../../../crate/bcm2837/) 的 [mailbox.rs](../../../crate/bcm2837/src/mailbox.rs) 中。一般一次操作是向 mailbox 写入请求的地址，然后读 mailbox 来轮询等待操作完成。注意读写 mailbox 时只有数据的高 28 位有效，低 4 位被用于存放通道，所以如果写入的是一个地址则该地址必须 16 字节对齐。
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读的流程如下：
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1. 读状态寄存器 MAIL0_STA，直到 empty 位没有被设置；
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2. 从 MAIL0_RD 寄存器读取数据；
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3. 如果数据的最低 4 位不与要读的通道匹配，则回到 1；
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4. 否则返回数据的高 28 位。
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```rust
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pub fn read(&self, channel: MailboxChannel) -> u32 {
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loop {
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while self.registers.MAIL0_STA.read() & (MailboxStatus::MailboxEmpty as u32) != 0 {}
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let data = self.registers.MAIL0_RD.read();
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if data & 0xF == channel as u32 {
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return data & !0xF;
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}
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}
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}
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```
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写的流程如下：
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1. 读状态寄存器 MAIL1_STA，直到 full 位没有被设置；
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3. 将数据(高 28 位)与通道(低 4 位)拼接，写入 MAIL1_WRT 寄存器。
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```rust
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pub fn write(&mut self, channel: MailboxChannel, data: u32) {
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while self.registers.MAIL1_STA.read() & (MailboxStatus::MailboxFull as u32) != 0 {}
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self.registers.MAIL1_WRT.write((data & !0xF) | (channel as u32));
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}
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```
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### Mailbox property interface
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> 参考：https://github.com/raspberrypi/firmware/wiki/Mailbox-property-interface
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Mailbox property interface 提供了丰富的访问底层硬件的接口，包括电源、温度、DMA、GPU、内存、Framebuffer 等模块。RustOS 中封装了一系列 mailbox property interface 函数，实现在 [kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/mailbox.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/mailbox.rs) 中。
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向 mailbox property interface 发送的请求需要符合一定的格式。在 RustOS 中，对 mailbox property interface 的一个功能调用被称为一个 `PropertyMailboxTag`，格式如下：
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```rust
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#[repr(C, packed)]
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struct PropertyMailboxTag<T: Sized> {
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id: PropertyMailboxTagId,
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buf_size: u32,
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req_resp_size: u32,
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buf: T,
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}
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```
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这里的 `buf` 一般是一个 32 位无符号整数的数组。一个或多个 `PropertyMailboxTag` 可构成一个 `PropertyMailboxRequest`，这是最终需要向 mailbox 发送的请求，格式如下：
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```rust
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#[repr(C, packed)]
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struct PropertyMailboxRequest<T: Sized> {
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buf_size: u32,
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req_resp_code: PropertyMailboxStatus,
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||||
buf: T,
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||||
end_tag: PropertyMailboxTagId,
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}
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```
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这里的 `buf` 可以是多个大小不一的 `PropertyMailboxTag` 构成的数组，不过内存布局必须连续而没有空隙。
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为了方便构造这两个结构体，定义了宏 `send_one_tag!()` 与 `send_request!()`：
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* `send_request!($tags: ident)`：发送一个或多个 `PropertyMailboxTag`。这会构建一个 16 字节对齐的 `PropertyMailboxRequest` 结构体，将其地址写入 mailbox。等待 GPU 操作完毕后，返回被修改过的 `PropertyMailboxTag` 列表。
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||||
* `send_one_tag!($id: expr, [$($arg: expr),*])`：这会根据 `id` 与 32 位无符号整数的数组构造一个 `PropertyMailboxTag` 结构体，然后通过宏 `send_request!()` 发送给 mailbox，返回被修改过的数组。
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有了这两个宏，就可以非常方便地实现所需的 mailbox property interface 功能了。例如获取 framebuffer 物理分辨率：
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```rust
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pub fn framebuffer_get_physical_size() -> PropertyMailboxResult<(u32, u32)> {
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||||
let ret = send_one_tag!(RPI_FIRMWARE_FRAMEBUFFER_GET_PHYSICAL_WIDTH_HEIGHT, [0, 0])?;
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||||
Ok((ret[0], ret[1]))
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}
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```
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||||
`framebuffer_alloc()` 函数是一次性发送多个大小不一的 `PropertyMailboxTag` 的例子。
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需要注意的是，当启用 MMU 与 cache 后，在访问 mailbox 的前后都需要刷新整个 `PropertyMailboxRequest` 结构的数据缓存，因为这里涉及到 GPU 与 CPU 的数据共享，必须时刻保证主存与 cache 中数据的一致性。
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## Framebuffer
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Framebuffer 是一块内存缓存区，树莓派的 GPU 会将其中的数据转换为 HDMI 信号，输出给显示器。Framebuffer 的底层访问接口通过 mailbox property interface 实现。在 RustOS 中，树莓派的 framebuffer 实现在 [kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/fb.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/fb.rs) 中。
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### 相关数据结构
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[fb.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/fb.rs) 中定义了下列结构体：
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* `FramebufferInfo`：framebuffer 的信息，包括：
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+ 实际可见的分辨率 `xres`、`yres`
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+ 虚拟的分辨率 `xres_virtual`、`yres_virtual`
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+ 位置偏移 `xoffset`、`yoffset`
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+ 颜色深度 `depth`
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+ 一行的字节数 `pitch`
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+ GPU 总线地址 `bus_addr`
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+ 大小 `screen_size`
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* `ColorDepth`：表示颜色深度的枚举值，目前支持 16 位和 32 位颜色深度；
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* `ColorBuffer`：一个 union 类型，可将同一个 framebuffer 基址解析为下列三种类型：
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+ 一个 32 位无符号整数，表示 framebuffer 基址的虚拟地址；
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+ 一个类型为 16 位整数，大小为 framebuffer 分辨率的数组，表示 16 位颜色深度下的每个像素点；
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||||
+ 一个类型为 32 位整数，大小为 framebuffer 分辨率的数组，表示 32 位颜色深度下的每个像素点；
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```rust
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union ColorBuffer {
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base_addr: usize,
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buf16: &'static mut [u16],
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buf32: &'static mut [u32],
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}
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```
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||||
该 union 还提供了 `read16()`、`write16()`、`read32()`、`write32()` 等函数用于直接读写不同颜色深度下的 framebuffer；
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||||
* `Framebuffer`：具体的 framebuffer 结构体：
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```rust
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||||
pub struct Framebuffer {
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||||
pub fb_info: FramebufferInfo,
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||||
pub color_depth: ColorDepth,
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||||
buf: ColorBuffer,
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}
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```
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### 初始化
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Framebuffer 在函数 `Framebuffer::new()` 中初始化。流程如下：
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1. 通过 mailbox property interface，获取 framebuffer 物理分辨率、颜色深度等信息。也可以不获取，而是手动设置；
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2. 设置好相关参数，调用 `mailbox::framebuffer_alloc()` 由 GPU 分配 framebuffer，构造出 `FramebufferInfo` 结构体；
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3. 将 framebuffer GPU 总线地址转换为物理内存地址，然后调用 `memory::ioremap()` 将这段内存做对等映射，内存属性为 NormalNonCacheable；
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4. 构造出 `Framebuffer` 结构体并返回。
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### 读写
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可通过 `Framebuffer::read()` 和 `Framebuffer::write()` 函数读取 framebuffer 中的一个像素，或写入一个像素。
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为了提升连续区域读写的速度，还实现了 `Framebuffer::copy()` 与 `Framebuffer::fill()` 函数，分别用于拷贝一块区域、将一块区域都置为同一颜色。具体做法是将连续几个像素拼成一个 64 位整数，以减少访存次数。
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`Framebuffer::clear()` 函数用于将屏幕清空(黑屏)。
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## Console
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